基于大数据可视化的河长制中枢指挥系统建设

赵杏杏 ，鞠茂森 ，刘威风 ，杨志勇 ,3，左 翔

（1. 南京水动力信息科技有限公司，江苏 南京 210019；2. 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏 南京 210019；3. 河海大学计算机与信息学院，江苏 南京 211100）

基于大数据可视化的河长制中枢指挥系统建设

赵杏杏1，鞠茂森2，刘威风1，杨志勇1,3，左 翔2

（1. 南京水动力信息科技有限公司，江苏 南京 210019；2. 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏 南京 210019；3. 河海大学计算机与信息学院，江苏 南京 211100）

为响应国家全面推行河长制，加强河湖管理的号召，建设以大数据为支撑，以服务各级河长办、河长为目的的河长制中枢指挥系统。通过对河湖状态的全覆盖、实时数据的采集、多源数据的汇聚和跨部门信息的共享，利用大数据、云计算、移动互联网、物联网、人工智能等技术手段，形成支撑河长制中枢指挥系统的框架体系，建立集对河湖状态的实时监测、焦点水情事件的预案预警与紧急事件的应急指挥等多项应用为一体的河长制中枢指挥系统。实现河长制执行工作的统一管理、统一指挥、统一协调，促进其管理工作的精细化、协同化、智能化、集成化，维持河湖“畅流活水”，保障河湖生命健康与功能永续利用。

河长制；大数据；可视化；信息共享；中枢指挥

0 引言

当前，我国河湖生态环境面临的形势十分严峻，水污染严重、水生态恶化、水环境破坏、坡岸杂乱等问题日益突出，已经成为制约我国经济社会可持续发展的主要瓶颈[1]。借鉴江苏省无锡市率先实施河长制“让领导挂牌治水”的成功经验，2016 年中央全面深化改革领导小组审议通过《关于全面推行河长制的意见》，要求在全国范围内全面推行河长制，为维护河湖健康生命、实现河湖功能永续利用提供制度保障[2]。

在大数据、云计算、移动互联网、物联网、人工智能等信息技术快速发展的热潮下，水利部相继推出《全国水利信息化“十三五”规划》与《关于推进水利大数据发展的指导意见》，要求充分发挥大数据在水利改革发展中的重要作用，促进水利大数据发展，有利支撑和服务水利现代化[3]。大数据等技术的发展给河长制工作的开展带来了科技的手段，给河长制工作的科学化、常态化运作带来了机遇[4]。

面对严峻的河湖生态环境，提高人民生活质量的迫切需求，建设以大数据为支撑，以服务河长为目的的河长制中枢指挥系统对实现河长制工作的统一管理、指挥、协调，细化河长制日常管理、常态监测、预案预警、应急指挥和强化社会公众服务，建设长效管理机制，规划实施路径，维持河湖“畅流活水”，促进河长制执行工作规范化、信息化、实效化的开展，保障河湖生命健康与功能永续利用具有重要意义。

1 关键技术

1.1 大数据技术

大数据时代的来临是科学技术及互联网发展到一定阶段的产物。各行各业每天都要产生种类多样的数据碎片，所涉及的数据资料量规模巨大，通过普通的人脑及主流软件工具，无法在合理时间内达到撷取、管理、处理并整理成能帮助完成决策目的的信息。针对这种量大、全貌、实时、在线、蕴含价值大又同时具备动态和可持续特征的数据，必须通过运用新系统、新工具、新模型的挖掘，处理和存储等技术，从中获得具有洞察力和新价值的信息并反哺于应用，该技术即大数据技术[5]，如图 1所示。

图 1 大数据技术体系

河长制中枢指挥系统一方面充分利用水利厅，以及环保、住建、国土等业务协同部门已有的水利数据，整合现有资源与网络信息[6]；另一方面利用物联网技术，通过智能化、自动化感知体系，加大信息采集覆盖面，实现河湖状态的实时在线监测，完成多源异构数据的采集，形成水利大数据，完善一河一档资料。通过清洗、处理、分析等大数据技术对河湖的健康指标和形态状况进行分析，实现多源异构数据的同构化，形成可用的信息数据，以服务于未来一定时段内的预案预警机制的建立，迅速、准确、直观地展现河湖生态环境发生破坏的地点，现状和未来发展趋势[7]，及时为突发应急状况提供决策支撑，为河湖生态保护指挥决策提供科学依据，打造大数据可视化的高水平河长制中枢指挥系统，实现河长制工作的高效性、便捷性、长效性、实时性[8]。

1.2 水文时间序列预测

水利相关部门现有资源水文数据库中存在大量时间序列数据[9]，该种数据反映了河湖在自然环境变化与人类活动的共同影响下，水文和水质等一系列生态特征随着时间的推移所产生的具有一定趋势、周期性、相依性的，或者无规律、纯随机性的变化[10]。

水文时间序列预测分析技术是结合水文现象的性质和特点，对水文时间序列数据进行统计分析与推断并建立相应的数学模型[11]，以预测、分析和识别水文事件序列的未来值，发现序列中蕴藏的规律，以便掌握水文数据变化规律和趋势，实现河长制中枢指挥管理和预案预警等应用功能[12]。

1.3 舆情分析技术

舆情分析技术是通过内容与实证分析 2 种方法，对特定问题的相关信息进行客观、系统、定量的分析，理清信息中蕴含的隐性事实本质与发展趋势；或是通过大量案例与相关数据进行加工与分析研究，得出解决问题的相关结论，并对事物、问题的发展趋势等研究情报预测的技术[13]。

河长制中枢指挥系统利用大数据技术挖掘社会各界群众的监督、举报信息等，结合实时监测的与相关水利的数据作为整个系统舆情信息的内容支撑，通过对河湖相关数据进行舆情分析[14]，一方面动态地反馈当前民众舆情态势，另一方面又有利于将监测的目标时间点提前至敏感问题出现的初期，通过建立模型，模拟舆情演变过程，实现对河湖的舆情预测[15]。

2 系统设计

2.1 整体架构

基于大数据可视化的河长制中枢指挥系统以数据为驱动，以 GIS、业务应用与数据挖掘等服务模式支撑系统的前端显示，查询与各类操作，系统架构分为基础设施层、数据资源层、业务处理层和终端展示层，如图 2 所示。

1）基础设施层。基础设施层为河长制中枢指挥系统提供基础运行环境，包括支撑各类应用运行和各类数据存储的服务器设施、存储设备、网络环境等。

2）数据资源层。河长制中枢指挥系统的数据资源包括基础水文、水利普查的工程对象、实时水雨情、水质、空间和公众等数据。空间数据包括基础地理信息、水利要素与水利专题等数据。

3）业务支撑层。业务支撑层作为河长制中枢指挥系统的后台服务系统，提供多维、统计和空间分析，以及数据管理和挖掘等多项服务，其中数据挖掘服务包括水文时间序列预测、水质预测和舆情监测等服务。后台服务系统支撑前端系统对静态水利工程信息，实时数据和相关部分预测信息的访问、提取、处理、组织、表达等功能。

4）终端展示层。终端展示层是系统与用户交互的场所，以指挥大屏的形式展示河长制的相关信息、水利对象的实时监测数据等，实现用户的响应操作。通过调用后台服务功能，提供对水利数据基于 GIS，OLAP 交互式的全方位展示以满足预案预警机制的建立与应急指挥。

图 2 河长制中枢指挥系统层次结构图

2.2 数据体系

基于大数据可视化的河长制中枢指挥系统需要大量数据作为支撑，主要的数据来源有 3 种：1）利用已建的基础和水利地理信息数据库，河湖资源与水利工程管理信息系统与已有的水利普查数据和河湖整编资料；2）通过网络挖掘、智能分析等手段获取网络公众数据；3）采用现场调查和遥感影像解译、部分测量、实时监测等手段，全面采集新数据，详如图 3 所示。

图 3 数据源体系

河长制中枢指挥系统的数据体系总体可分为以下 6 类：

1）地理信息系统数据。该部分主要采用已建的基础、水利地理信息的数据库，所包含的数据即通过采集地理环境与水利行业的各项要素，如空间分布状况和属性数据等所建立的地图、遥感图像、文本资料、统计资料、实测数据、多媒体数据等。

2）水利普查数据。主要涵盖河湖基本情况、水利工程、地下水取水井、灌区、经济社会用水、河湖开发治理保护、水土保持、行业能力等八大专题数据。

3）水质数据。通过对河湖库水质的监测所获得的水体中污染物的种类，以及各类污染物的浓度和变化趋势的数据。水质数据总体上可以分为 2 类：a. 反映水质状况的综合指标，即温度、PH 值、电导率等常规 5 项，以及总磷、氨氮、COD 3 项共 8 项参数，b.一些有毒物质参数，如酚、铅、汞、有机农药等。

4）实时水雨情。通过多样性的实时在线监测设备所获得的测站标定时间间隔的实时离散的雨量、流量、水位、警戒水位、水势等信息数据。

5）基础水文数据。按一定时段（日、月、年、多年）内从实地调查、观测及计算研究所得水文要素特征值，主要包括流量、水位、径流系数、降水量、蒸发量及含沙量等。

6）公众数据。主要包括社会各界群众对河道情况、河长制工作开展的舆论监督，以及群众对河道治理的意见等。

2.3 功能模块

基于大数据可视化的河长制中枢指挥系统的指挥平台主界面如图 4 所示，主要分为 7 个功能模块，各个功能模块具体介绍如下：

1）河长制一张图。以水利普查地图为底图，叠加公共基础地图与水利电子地图，整合基础地理、企业指纹、遥感影像、站点实时监测与多种空间属性等数据，从时空角度展现各级河长管辖范围内河湖的详情，包括河流、河段、水质数据、企业排污等多种信息，通过大数据与水文时间序列预测技术，了解其现状并预测其发展趋势，高效规范管理，为开展预警、污染溯源、指挥决策与整治工作等提供决策支持。

图 4 河长制中枢指挥平台

2）总体目标。紧密联系一河一策，对河长制建设任务的阶段性和年度目标等进行量化展示，涵盖建设任务项与所要实现河湖治理的阶段性目标，在此基础上，通过统计分析，以饼状图的方式直观展示总体及当前年度目标的完成比例。展示的信息可根据河长制工作发展动态实时动态更新，以便工作人员及时了解河长制工作进展并进行自我监督。

3）水利专题要素。与水利一张图呼应，展示与水利专题相关的要素信息包括水文站、水位站、水质监测站、监测断面数、排污口、视频监控站等站点的地理位置及相关属性等信息。

4）河长信息。直观展示各级河长的数目及对应的人员构成，与河长制中枢指挥系统其他功能模块相关联，通过点击不同的级别与人员，河长制一张图与其它相关功能模块的信息对应发生变化，直接展现该河长所负责的辖区河湖的相关情况。

5）河道水质。直观展现河湖水质的实时监测总体情况：a. 体现各监测断面、排污口及水功能区的水质监测指标参数；b. 通过统计分析，以百分比的形式展示不同级别水质的占比率，体现水质的优劣；c. 通过预警预测模型，建立相应的预警预测机制，在一张图上直观展示水质预警状态，为应急指挥提供辅助支持。

6）考核评分。以柱状图的形式直观展示各级河长的综合评分信息，并区别设置不同级别的河长查看权限，为各级河长定点定时定期对自身的工作进行监督与反馈提供支撑。

7）群众工作。通过大数据技术挖掘社会各界群众对河道情况、河长制工作开展的舆论监督及群众对河道治理的意见，并利用舆情分析技术动态的反馈当前民众舆情信息，对其进行详细的用户画像描写，以加强对用户群体的分析与了解，营造提高河长制工作开展效率、齐抓共管、全民参与的良好氛围。

3 系统应用

通过大数据的建设构建的面向河长制管理部门的可视化综合性中枢指挥系统，集常态监测管理、预案预警与应急指挥等多项应用于一体。系统一方面支持河湖水情的全覆盖、全天候、实时在线监测及对舆情信息的实时在线分析，便于及时地掌控管理范围内的水体水质的变化情况；另一方面针对焦点水情与社会舆情信息建立预案预警机制，为预防、监控及妥善处理突发应急事件提供科学依据；同时系统实现可视化、扁平化的应急指挥调度功能，提升突发事件处置能力。

3.1 常态监测管理

通过全覆盖、常态化的监测思路，基于大数据可视化的河长制中枢指挥系统在原有水利普查的数据成果、河湖库勘测数据，以及住建、环保等部门数据资源的基础上，充分利用物联网、视频监控等技术优化管理范围内的水利监测站点的点位与布局，主要包括河湖分界断面、取水口（生活及农业用水）、违法点、违法案件、水文气象、遥感影像等，建立统一的、全覆盖的河流流域断面、河湖水质水体监测网络，实现全天候、空天地一体的实时监测，以及充分监督社会舆情信息；通过运用图像分析处理，数据存储与大数据等技术实现对各类信息的分析、处理、存储与显示，实现指挥中心与现场的多媒体交互应用，便于及时准确地掌握管理范围内水体水环境的变化现状及趋势。

3.2 预案预警机制

为了进一步深化河长制中枢指挥系统的管理服务能力，实现突发事件的快速上传，应急响应、联合指挥等能力，通过针对各类焦点水情事件与舆情信息建立案例数据库、预案知识库、预警模型数据库等，从历史焦点案例的演变链、事件链中提炼并建立焦点水情事件的风控模型，为预案预警提供可靠的阈值与依据，为各类焦点水情事件的处理建立预警机制。

具体而言，主要包括 3 个方面：1）通过自动监控各类焦点水情的发展状态与社会舆情信息，对各种异常变化情况进行预警，并建立相关的应急预案，辅助河长制管理人员进行模拟演练，实现水情预警的可视化；2）系统支持多种可视化的展现方式呈现预案的相关要素与指挥过程，支持对管理人员部署、资源分布、焦点目标等进行展示与动态推演，以此提高随时准备处置水情突发事件的能力与水平，实现预案部署可视化；3）建立河长制监管和应急保障所需相关资源的动态数据库，实现应急指挥相关基础信息数据如：人、事、地、物等信息的综合管理，即应急资源管理可视化，便于应急状态下的指挥调用。

3.3 应急指挥

基于大数据可视化的河长制中枢指挥系统采用先进的信息处理技术与管理手段，以地理信息系统为基础，以一河一策为指导性文件，集实时视频通讯、远程监控、图像传输等多媒体业务功能为一体，具备即时、同步、交互的指挥调度模式；支持卫星影像、DEM 数据、矢量地图数据的动态加载，可实现应急事件的快速加载与及时准确定位；运用智库作为决策指引，针对突发问题不断丰富智库，在学习中不断完善。系统通过远程监控突发事件现场，全程掌控事态发展，对指挥决策的商定与下达，现场处置与后端中枢指挥平台的高效协同具有重要意义。系统同时提供多种用于河长制指挥决策的标绘功能，为部署决策信息的直观展示提供手段。系统可视化、扁平化的指挥调度能力，为其以最短的时间对应急事件的数据采集、问题判定、决策分析、命令部署到现场处置作出快速的反应，并采取正确的处置措施，有效地动员和调度各种资源等创造了条件，提升了指挥中心处置突发事件的力度。

4 结语

河长制中枢指挥系统的建立是河长制管理工作的重要内容，是河长制管理工作有序开展、全面管控的有效手段。提出的基于大数据可视化技术建立河长制中枢指挥系统的构思，利用大数据、云计算、移动互联网、物联网、人工智能等技术手段，形成支撑河长制中枢指挥系统的框架体系，在已有的水利普查等多种数据基础上，整合多源数据，形成水利大数据，实现数据共享。建立集对河湖状态的实时监测、焦点水情事件的预案预警与紧急事件的应急指挥等多项应用为一体的河长制中枢指挥系统。既响应了国家积极推行河长制的号召，又顺应新时代人们对高质量的河湖生态环境的迫切需求，是新时代、新技术下，实现河湖现代化、信息化、科学化管理的巨大推力。

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Construction of central command system of river chief mechanism based on big data visualization

ZHAO Xingxing1, JU Maosen2, LIU Weifeng1, YANG Zhiyong1,3, ZUO Xiang2
(1. Nanjing HOHpower Information Technology Corporation, Nanjing 210019, China;2. High Eff i cient Utilization of Water Resources and the National Engineering Research Center of Engineering Safety,Nanjing 210019, China;3. Collage of Computer and Information, Hohai University, Nanjing 210019, China)

In response to the call of the state to fully implement the river chief mechanism and strengthen the management of rivers and lakes, it must build a central command system with the support of big data and serve the purpose of serving the river off i ce and river chief at all levels. Through the full coverage of the state of the river and the lake, the collection of real time data, the aggregation of multi source data and the sharing of interdepartmental information，it builds the central command system of river chief mechanism with a series of applications such as the real-time monitoring of the state of the river and the lake, the pre-warning of the focus water affair events and the emergency command of the emergency events by using big data, cloud computing, mobile Internet, Internet of things,artificial intelligence and other technical means. Finally, it achieves the unified management, unified command and unif i ed coordination of the implementation of the river chief mechanism, and promote the meticulous, collaborative,intelligent and integrated management of the management work, so as to maintain the “smooth fl ow and live water”of rivers and lakes, and ensure the healthy and functional utilization of rivers and lakes.

river chief mechanism; big data; visualization; information sharing; central command

TV213.4；TP39

A

1674-9405(2017)06-0017-06

10.19364/j.1674-9405.2017.06.004

2017-10-05

赵杏杏（1989-），女，江苏南通人，硕士，主要研究方向为水利信息化、河长制管理信息化关键技术。